Корпуса для высокомощных лазеров и лидаров
В современных высокоэнергетических оптических системах корпуса выполняют критически важные функции: обеспечивают механическую стабильность, эффективный теплоотвод, герметичную изоляцию чувствительных компонентов и устойчивость к агрессивным средам. В зависимости от технических требований применяются три основных типа конструкций: металло-керамические, стекло-керамические и корпуса на основе нитрида алюминия (AlN). Каждый из вариантов обладает уникальными характеристиками, определяющими сферу его применения.
МЕТАЛЛО-КЕРАМИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ
|
Преимущества:
|
Корпуса данного типа предназначены для мощных лазерных диодов, импульсных лазерных модулей и лидарных систем, работающих в условиях высоких токовых нагрузок и требующих эффективного теплорассеивания.
Ключевые особенности:
Базовые материалы:
- Вольфрам-медь (WCu) и молибден-медь (MoCu) – обеспечивают высокую теплопроводность (180–220 Вт/(м·К)) и низкий коэффициент теплового расширения (КТР), что минимизирует термические деформации
- Чистая медь (Cu) – применяется в системах с экстремальным теплоотводом (до 400 Вт/(м·К))
- Ковар (Fe-Ni-Co сплав) и сталь 10# – используются в узлах, требующих согласования КТР со стеклянными или керамическими элементами.
- Комбинированные выводы (Ковар + Cu, цирконий + Cu) обеспечивают низкое переходное сопротивление и высокую стойкость к термоциклированию.
- Никелирование (Ni) – повышает коррозионную стойкость
- Золочение (Au) – улучшает паяемость и снижает омические потери
- Регулируется в диапазоне от 10⁻⁵ до 10⁻⁹ (Па·м³)/с в зависимости от требований к вакуумной или газонаполненной эксплуатации.
СТЕКЛО-КЕРАМИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ
|
|
Преимущества:
|
Оптоэлектронные модули, герметичные лазерные сборки и лидары, работающие в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Ключевые особенности:
Базовые материалы:
- Ковар и сталь 10# – обеспечивают согласование КТР с керамикой и стеклом, предотвращая растрескивание при термоциклировании
Электрические выводы:
- Ковар и сплав 4J50 с медным покрытием – минимизируют напряжения в зоне стекло-металлического соединения
Оптические окна:
- Сапфир (Al₂O₃) – обладает высокой прозрачностью в УФ- и ИК-диапазонах, механической прочностью (9 по шкале Мооса) и термостойкостью (до 2000°C)
Технология герметизации:
- Совместный обжиг при 700–1000°C обеспечивает монолитность структуры
- Герметичность ≤ 1·10⁻⁹ (Па·м³)/с (гелиевый тест), что соответствует стандартам MIL-STD-883
AlN ОСНОВАНИЕ
|
|
Преимущества:
|
Субмиллиметровые лазерные диоды, мощные светодиодные сборки и СВЧ-компоненты, где критичны теплопроводность и миниатюризация.
Ключевые особенности:
Тепловые характеристики:
- Теплопроводность AlN – 170–200 Вт/(м·К), что в 5–7 раз выше, чем у оксида алюминия (Al₂O₃)
Металлизация:
- Медное покрытие (Cu) толщиной 10–100 мкм – формирует низкоомные токовые пути
- Покрытие AuSn (≤ 15 мкм) – обеспечивает пайку с минимальным термическим сопротивлением.
Прецизионные параметры:
- Шероховатость поверхности 0,19–0,23 мкм (Ra) – необходимо для качественной адгезии тонкопленочных структур
- Плоскостность ≤ 5 мкм – критично для сборки по технологии flip-chip.
Выбор корпусного решения определяется эксплуатационными требованиями:
- Металло-керамика – для высокотоковых систем с активным охлаждением
- Стекло-керамика – для герметичных оптоэлектронных модулей
- AlN-основания – для компактных высокочастотных и мощных приборов.
Оптимизация конструкции по тепловым, механическим и электрическим параметрам позволяет достичь максимальной надежности и КПД устройства.
Характеристики
Металлические материалы
|
Материал |
Коэффициент теплового расширения (CTE), ppm/К |
Теплопроводность, Вт/(м∙К) |
Плотность, г/см3 |
Механическая прочность на изгиб, МПа
| |
|
Ковар |
Fe: 54%; Co: 17%; Ni: 29% |
5,9-6,4 |
16,7 |
8,17 |
520 |
|
Сплав 42Н |
Fe: 58%; Ni: 42% |
6,5-7,5 |
14,6 |
8,12 |
490 |
|
Cu |
>99,99% |
18,6 |
400 |
8,96 |
- |
|
WCu
|
W 80%; Cu 20% |
7,6-9,1 |
200-220 |
15,40 |
980 |
|
W 85%; Cu 15% |
6,0-6,7 |
180-190 |
16,40 |
1080 | |
|
W 90%; Cu 10% |
5,6-6,5 |
170 |
17,00 |
1160 | |
|
MoCu |
Мо 70%; |
7,2-8,0 |
160-190 |
9,90 |
1250 |
|
CMC |
Cu:Mo:Cu=1:4:1 |
6,0 |
220 (Z) |
9,75 |
100 |
|
CPC |
Cu:MoCu30:Cu=1: 4:1 |
7,2 |
220 (Z) |
9,46 |
100 |
|
10# Сталь |
99% Fe |
12,6 |
49,8 |
7,80 |
335 |
|
304 Сталь |
99% Fe |
18,4 |
21,4 |
7,93 |
520 |
Керамические материалы
|
Параметры |
Условия проводимых испытаний |
Единица измерения |
Черная керамика (Al2O3, 90%) |
Белая керамика (Al2O3 , 95%) |
AIN
| |
|
МЕХАНИЧЕСКИЕ
|
Плотность |
/ |
г/см3 |
3,71 |
3,62 |
3,62 |
|
Шероховатость поверхности |
/ |
мкм |
≤0,40 |
≤0,40 |
- | |
|
Механическая прочность на изгиб |
/ |
МПа |
≥400 |
≥430 |
300 | |
|
Модуль Юнга |
/ |
ГПа |
≥280 |
≥279 |
- | |
|
ТЕРМИЧЕСКИЕ
|
Трещиностойкость (вязкость разрушения) |
/ |
МПа∙м1/2 |
2,10 |
1,56 |
- |
|
CTE/Коэффициент теплового расширения |
RT-400°C |
ppm/° |
7,5 |
7,6 |
4,7±0,03 | |
|
Теплопроводность |
20°С |
Вт/(м∙К) |
21 |
21 |
170 | |
|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
|
Диэлектрическая проницаемость
|
f=1 МГц |
МГц |
10,06 |
9,00 |
8,7±0,2 |
|
f=10 ГГц |
ГГц |
8,79 |
8,65 |
- | ||
|
Диэлектрические потери
|
f=1 МГц |
10-4 |
2,40 |
2,30 |
6,00 | |
|
f=10 ГГц |
|
9,35 |
9,30 |
- | ||
|
Напряжение на пробой |
DC |
КВ/мм |
≥27,8 |
≥28,0 |
14,0 | |
|
Объемное удельное сопротивление |
/ |
Oм·cм |
- |
- |
1014 | |
|
ПРОВОДНИКИ |
|
W, Mo |
W, Mo |
W |
|
|
Область применения
• Медицина
• Метеорология
• Геодезия
• Астрономия
• Автомобилестроение